地圖投影系列介紹（二）_ 地理坐標系

LibraryPKU 2014-11-04

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3,、地理坐標系

地球的形狀與大小確定之后，還必須確定橢球體與大地水準面的相對關(guān)系,，這項工作稱為橢球定位與定向,。與大地水準面符合得最好的一個地球橢球體，稱為參考橢球體,，是地球形體三級逼近,。

說到這里，我們需要對這幾個詞匯做區(qū)分：

球體：小比例尺,，視作球體。
橢球體/旋轉(zhuǎn)橢球體：大比例尺，兩個概念不區(qū)分,。
地球橢球體：限地球橢球體模型,。
參考橢球體：定位相關(guān)，與局部或全局大地水準面最為吻合的橢球體模型,。

3.1 大地基準面

大地基準面是利用特定橢球體對特定地區(qū)地球表面的逼近,。ArcGIS中，基準面用于定義旋轉(zhuǎn)橢球體相對于地心的位置,。大地基準面分為地心基準面,、區(qū)域基準面。

地心基準面：由衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到,，使用地球的質(zhì)心作為原點,，使用最廣泛的是 WGS 1984。

區(qū)域基準面：特定區(qū)域內(nèi)與地球表面吻合,，大地原點是參考橢球與大地水準面相切的點,，例如Beijing54、Xian80,。

每個國家或地區(qū)均有各自的大地基準面,。我們通常稱謂的Beijing54、Xian80坐標系實際上指的是我國的兩個大地基準面,。相對同一地理位置,，不同的大地基準面，它們的經(jīng)緯度坐標是有差異的,。

橢球體與大地基準面之間的關(guān)系是一對多的關(guān)系,。因為基準面是在橢球體的基礎(chǔ)上建立的，但橢球體不能代表基準面,，同樣的橢球體能定義不同的基準面,。

在目前的GIS商用軟件中，大地基準面都通過當?shù)鼗鶞拭嫦騑GS84的轉(zhuǎn)換7參數(shù)來定義,，即：
– 三個平移參數(shù)ΔX,、ΔY、ΔZ表示兩坐標原點的平移值,。
– 三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)εx,、εy、εz表示當?shù)刈鴺讼敌D(zhuǎn)至與地心坐標系平行時,，分別繞Xt,、Yt、Zt的旋轉(zhuǎn)角,。
– 最后是比例校正因子,，用于調(diào)整橢球大小。

Beijing54、Xian80相對WGS84的轉(zhuǎn)換參數(shù)至今也沒有公開,，實際工作中可利用工作區(qū)內(nèi)已知的北京54或西安80坐標控制點進行與 WGS84坐標值的轉(zhuǎn)換,，在只有一個已知控制點的情況下（往往如此），用已知點的北京54與WGS84坐標之差作為平移參數(shù),，當工作區(qū)范圍不大時,，如青島市（10654平方公里），精度也足夠了,。

3.2 地理坐標系建立

地理坐標系（大地坐標系）是大地測量中以參考橢球面為基準面建立起來的坐標系,。地面點的位置用經(jīng)度、緯度,、和大地高度表示,。大地坐標系可分為參心大地坐標系和地心大地坐標系。

參心大地坐標系：指經(jīng)過定位與定向后,，地球橢球的中心不與地球質(zhì)心重合而是接近地球質(zhì)心,。區(qū)域性大地坐標系。是我國基本測圖和常規(guī)大地測量的基礎(chǔ),。如Beijing54,、Xian80。

地心大地坐標系：指經(jīng)過定位與定向后,，地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合,。如CGCS2000、WGS84,。

建立地理坐標系的過程如下：
i. 選擇一個橢球體：Krasovsky_1940橢球體,。
ii. 橢球定位與定向利用“Datum:D_Beijing_1954”大地基準面將這個橢球定位。

有了 Spheroid 和 Datum 兩個基本條件,，就確定了大地基準面,，地理坐標系統(tǒng)便也可以確定，即經(jīng)緯度,。

3.3 我國常用地理坐標系

名稱	類型	介紹	缺點	優(yōu)點與意義
Beijing54	參心坐標系	1954年,，我國將原蘇聯(lián)采用克拉索夫斯基橢球元素建立的坐標系，聯(lián)測并經(jīng)平差計算引申到我國,，以北京為全國大地坐標原點,，確定了過渡性大地坐標系。	參考橢球長半軸偏長,；橢球基準軸定向不明確,；橢球面與我國境內(nèi)的大地水準面不太吻合，東部高程異?？蛇_68米,；點位精度不高,。
Xian80	參心坐標系	1978年，采用新的橢球體參數(shù)GRS(1975),，以陜西省西安市以北涇陽縣永樂鎮(zhèn)某點為國家大地坐標原點,，進行定位和測量工作，通過全國天文大地網(wǎng)整體平差計算,，建立了全國統(tǒng)一的大地坐標系。	與當今社會發(fā)展存在的矛盾：①坐標維的矛盾：隨著衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)在我國的廣泛使用,，二維不能適應(yīng)現(xiàn)代的三維定位技術(shù),； ②精度的矛盾：衛(wèi)星定位技術(shù)可達10^-7～10^-8的點位相對精度，而西安80系只能保證3×10^-6,；③坐標系統(tǒng)（框架）的矛盾：數(shù)字地球的發(fā)展要求用戶需要提供與全球總體適配的地心坐標系統(tǒng),。	橢球體參數(shù)精度高；定位采用的橢球體面與我國大地水準面符合好,；天文大地坐標網(wǎng)傳算誤差和天文重力水準路線傳算誤差都不太大,，而且天文大地坐標網(wǎng)坐標經(jīng)過了全國性整體平差，坐標統(tǒng)一,，精度優(yōu)良,，可以滿足1：5000甚至更大比例尺測圖的要求等
CGCS2000	地心坐標系	2000國家大地坐標系是全球地心坐標系在我國的具體體現(xiàn)，其原點為包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心,。 ——地球橢球參數(shù)如下： ü 長半軸 a＝6378137m ü 扁率f＝1/298.257222101 ü 地心引力常數(shù)GM＝3.986004418×1014m3s-2 ü 自轉(zhuǎn)角速度ω＝7.292115×10-5rad s-1		采用2000國家大地坐標系將促進航天,、海洋、地震,、地質(zhì),、國土等領(lǐng)域的科學(xué)研究，提供以全球參考的,、全國統(tǒng)一的,、協(xié)調(diào)一致的坐標系統(tǒng)。采用2000國家大地坐標系將進一步促進遙感技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用,，發(fā)揮其在資源和生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測方面的作用,。采用2000國家大地坐標系也是保障交通運輸、航海等安全的需要,。車載,、船載實時定位獲取的精確的三維坐標。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與通信,、遙感和電子消費產(chǎn)品不斷融合,，將會創(chuàng)造出更多新產(chǎn)品和新服務(wù)，市場前景更為看好,。
WGS84	地心坐標系	目前GPS定位所得出的結(jié)果都屬于WGS84坐標系統(tǒng),，WGS84基準面采用WGS84橢球體,。		目前的商用GIS也多采用此坐標系統(tǒng)。

ArcGIS中這4個地理坐標系的定義如下：

3.4 我國常用高程系

大地控制的主要任務(wù)是確定地面點在地球橢球體上的位置,，這種位置包括兩個方面：一是點在地球橢球面上的平面位置,，即經(jīng)度和緯度；二是確定點到大地水準面的高度,，即高程,。

高程控制網(wǎng)的建立，必須規(guī)定一個統(tǒng)一的高程基準面,。我國利用青島驗潮站1950～1956年的觀測記錄,，確定黃海平均海水面為全國統(tǒng)一的高程基準面，并在青島觀象山埋設(shè)了永久性的水準原點,。以黃海平均海水面建立起來的高程控制系統(tǒng),，統(tǒng)稱“1956年黃海高程系”。

1987年,，因多年觀測資料顯示,，黃海平均海平面發(fā)生了微小的變化，由原來的72.289m變?yōu)?2.260m,，國家決定啟用新的高程基準面,，即“1985年國家高程基準”。高程控制點的高程也發(fā)生微小的變化,，但對已成圖上的等高線的影響則可忽略不計,。

國家高程控制網(wǎng)是確定地貌地物海拔高程的坐標系統(tǒng)。按控制等級和施測精度分為一,、二,、三、四等網(wǎng),。目前提供使用的1985國家高程系統(tǒng)共有水準點成果114041個,，水準路線長度為416619．1公里。